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超越摩尔定律,电脑性能有望获得飞跃式提升

计算机处理器中使用的硅集成电路正在接近单个芯片(至少二维阵列)中晶体管的最大可行密度。

近日,密歇根大学的一个研究团队在最先进的硅芯片上直接堆叠了第二层晶体管。电脑性能有望获得飞跃式提升。

摩尔定律的定义是,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。

尽管晶体管变得越来越小,但更高的电压依然会损害这些晶体管。因此,最新处理芯片与触摸板、显示器等高电压用户界面组件并不兼容。这些高电压用户界面组件需要在更高的电压下运行,以避免出现错误的触摸信号或过低的亮度显示。

密歇根大学电气工程与计算机科学副教授兼项目负责人贝基彼得森说:“为了解决这个问题,我们将不同类型的设备与3-D硅电路集成在一起,集成后的设备能做到晶体管无法完成的事情。”

由于晶体管的第二层可以处理更高的电压,因此它们实质上为每个硅晶体管提供了自己的解释器,用于与外界连接。这就解决了使用最新处理器和额外的芯片来在处理器和接口设备之间转换信号的问题。

该论文的第一作者Youngbae Son表示:“与仅使用硅的芯片相比,这种芯片更加紧凑,具有更多功能。”

彼得森的团队通过使用另一种称为非晶态金属氧化物的半导体来达成这一目的。为了在不损坏该半导体层的情况下将其施加到硅芯片上,他们用含锌和锡的溶液覆盖了该芯片,并对其进行了旋转以形成均匀的涂层。接下来,他们短暂烘烤芯片以使其干燥。然后不断重复此过程,制成了一层约75纳米厚的氧化锌锡层,约为人发厚度的千分之一。在最后烘烤期间,金属与空气中的氧气结合,形成一层氧化锌锡。氧化锌锡膜被他们团队用来制造薄膜晶体管。这些晶体管可以承受比下方硅更高的电压。然后,该团队测试了基础硅芯片并确认它仍然可以工作。

为了搭载芯片的电路能有效工作,氧化锌锡晶体管需要与下面的硅晶体管完全相连。研究团队通过使用氧化锌锡添加了两个以上的电路元件来实现此目的:垂直薄膜二极管和肖特基门控晶体管。

两种锌锡氧化物晶体管连接在一起以构成一个反相器,在硅芯片使用的低电压和其他组件使用的高电压之间进行转换。最后,二极管用于将无线信号转换成对硅晶体管有用的直流电源。

这一演示为超越摩尔定律的硅集成电路开辟了道路,将氧化物电子产品的模拟和数字优势带到了各个硅晶体管上。

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